第9章 圖像的全息顯示

1、第9章 圖像的全息顯示9.1 引言眾所周知，人們對物體的三維立體視覺是由雙眼視差產生的，一切能使人眼產生雙眼視差的光學裝置或結構就能產生三維立體視覺。自出現三維立體顯示技術以來，三維立體顯示方法和技術已越來越豐富多彩，現在常見的立體顯示光學裝置有紅綠眼鏡、正交偏振片眼鏡、利用全反射原理的柱面光柵、專用光學立體圖像觀察裝置以及最近出現的層析復合圖像立體顯示器等等。其他實現立體顯示的技術還有由快速電子快門實現左右眼圖像分離的屏幕立體顯示、人眼光軸調節(jié)實現雙眼視差的計算機設計立體圖片等等。在諸多的三維顯示技術中，全息技術的立體顯示更顯特別，它在全息記錄材料上記錄的是物光波的振幅和位相信息，全息圖再現

2、的是物光波，不是一對或幾對立體圖像。此外，用全息方法也可實現體視三維圖像顯示，它的特點是觀察時無須其他光學器件輔助。H全息圖像顯示最直接的方式是激光再現全息，如圖9.1所示。以激光作為光源記錄全息圖H，再以與原參考光一致的再現激光照明全息圖，在全息圖平面上得到與原記錄物光完全一致的再現光。對相干長度有限的激光器，如He-Ne激光，被記錄物體的大小或景深非常有限，這時應采取對物體分區(qū)照明的方法擴大被攝物體的景深，詳見參考文獻9-1。對相干長度較長的激光器，如帶標準具的Ar+激光器，記錄的場景可達數米。激光再現全息圖的缺點是再現光必須用激光，這在很大程度上限制了它的使用。激光器B.SM1SF1M2

3、SF2HO （a） （b）圖9.1激光全息的記錄與再現 （a）記錄 (b) 再現激光再現全息的另一種類型是脈沖全息，全息記錄通常在防震的全息臺上進行，記錄的物體一般為靜物，而脈沖全息無須在全息臺上記錄，并可對生物或其他運動物體進行全息記錄，它的記錄光源是脈沖的寬度相當窄的脈沖激光器。脈沖全息在在全息干涉計量和全息電影中有廣泛的應用。第五章中已介紹過，用白光再現原來應當用激光再現的全息圖，會出現嚴重的色模糊。研究如何用白光再現全息圖像是顯示全息的主要研究內容之一。現在實現白光再現全息通常有三種方法：像面全息；彩虹全息；反射全息。用這些手段又可制作多種類型的全息圖，例如彩色全息，合成全息，消色差全

4、息等等。三種白光再現方法分別采用了不同的原理消除色模糊，本章節(jié)中將主要介紹彩虹全息以及其他幾種白光顯示全息。近幾年來，一種新的與計算機緊密結合的數字像素全息出現在市場上。在制作方法上，它與常規(guī)的顯示全息不同，它的效果很難用通常的全息技術得到，在本章的最后將對此略作介紹。隨著全息技術的不斷成熟和發(fā)展，全息技術正逐漸從實驗室走向市場。市場上已見到越來越多的全息防偽標貼、全息賀卡、全息包裝材料、全息藝術圖片等等。可以認為，全息顯示技術是一項非常有前途的三維立體顯示技術。隨著材料科學的進步和光電器件的發(fā)展，它已顯示出強大的生命力。在不久的將來，大幅全息圖片廣告，全息藝術人像照片，甚至全息電影、全息電視

5、、全息激光打印機、全息立體顯示屏幕、全息顯微顯示等全息三維顯示技術會越來越多地走進我們的日常生活。9.2 彩虹全息圖9.2.1線全息圖消色模糊原理PP¢O¢O²AB圖9 .2白光點光源再現全息圖為理解彩虹全息實現消除色模糊的原理，先分析白光再現普通全息圖產生色模糊的過程。圖9.2是用白光點光源再現普通全息圖的示意圖。為分析簡便起見，設記錄的物光是點光源，再現時被衍射成色散的像。像O¢和O²的波長分別對應lA和lB。人眼在P點觀察，白光照射在全息圖A點，該點僅有波長為lA的衍射光進入人眼，而在全息圖B點僅有波長為lB的衍射光進入人眼。人眼同時觀察

6、到了O¢和O²，所以人眼看到的色散像是由全息圖的不同區(qū)域衍射不同波長的光進入眼睛造成的。lA和lB的大小由A點和B點處全息圖的空間頻率以及再現光源和觀察位置確定。如果把記錄物光波的面積限制在一窄條上，僅有l(wèi)A進入人眼，這時人眼看到的像是單色像O¢，也就是消除了色模糊。如人眼在P¢點觀察，進入人眼的波長為為另一波長lB，對應的像是O²。所以人眼沿著與窄條垂直方向移動時，觀察到的像的顏色發(fā)生變化。從以上說明看出，窄條全息圖，或稱為線全息圖能有效地消除色模糊。POAOBOCABCP¢圖9.3多點構成的線全息圖以下再分析一下由多點構成的線全息

7、圖的情況。如圖9.3所示，連續(xù)分布物光場中OA、OB、OC對應的線全息圖為A、B、C。顯然，如果線全息圖A、B、C的空間頻率不完全相同，并且每一線全息圖的同一衍射波長lA衍射至同一觀察位置P點，則人眼將能同時觀察到三個點的單色像。如果物光場中的每一點都是如此，物光場上的每一點的信息都被限制在不同的窄條上，并每一窄條同一波長的衍射光會聚于同一點，則人眼在該點觀察時，就能同時觀察到完整的單色像。與觀察單點像類似，人眼在垂直于線全息圖方向移動時，將觀察到不同顏色全息像。如果人眼不在觀察點P，而是離P點有一距離，如圖中的P¢點，則每一會聚于該點的線全息圖的衍射波長各不相同，人眼觀察到的全息像

8、的單色性與P點觀察的不同，像的不同部分的顏色各不相同，顏色的分布就象雨過天晴的彩虹一樣，所以這一類全息圖又稱為彩虹全息。因此，以彩虹全息方式觀察到完整像有兩個必要條件：實現線全息圖和線全息圖的同一波長的衍射光會聚于空間同一狹長區(qū)域。9.2.2彩虹全息圖的記錄按實現彩虹全息的兩個必要條件，實現彩虹全息圖有多種方法，其中最典型的方法是二步法9-2和一步法9-3彩虹全息。二步法彩虹全息的記錄與再現光路如圖9.4所示。在二步法中，先記錄一張如圖9.1a所示的激光再現全息圖H1。第二步用參考光的共軛光再現全息圖H1，得到共軛實像I（參考圖9.4(a)）。在實像附近放置另一記錄材料H2，記錄第二張全息圖。

9、記錄時在H1上放置一狹縫光欄，狹縫方向與記錄H2的參考光入射面垂直。參考光R通常是會聚光。由圖9.4(a)可見，H2置于H1的衍射實像附近，實像上的每一點的信息均被限制在不同的窄條區(qū)域上，實現了線全息圖。另一方面，每一線全息圖的物光均來自同一狹縫，當H2由如圖9.4(b)所示的共軛光路再現時，每一線全息圖的同一波長衍射光將會聚同一狹縫位置。所以帶狹縫的兩步記錄方法滿足了彩虹全息的兩個必要條件。實際上，狹縫S可以看成是H2的物，共軛再現H2時，將會再現出狹縫的實像，實像的位置由第5章的物像關系式（5.21）計算，由式（5.21）可看出不同波長的狹縫像出現在不同的空間位置。圖9.4（b）中只畫出了

10、紅色和藍色狹縫，人眼在狹縫的實像處觀察，進入人眼瞳孔僅是單色光，看到的是單色的清晰圖像，當人眼在狹縫位置處沿垂直方向移動時會看到像的顏色發(fā)生變化。H1IH2IH2紅色狹縫像藍色狹縫像 （a） （b） 圖9.4二步彩虹全息圖一步法彩虹全息的記錄光路如圖9.5所示，物體O置透鏡L的兩倍焦距處，它的實像為O¢，一狹縫光闌S距透鏡的距離大于透鏡焦距，其實像S¢位于透鏡后大于兩倍焦距處，在物的實像附近置全息記錄干板，用發(fā)散光源作為參考光進行全息記錄。從圖中看出，像O¢的每一點信息被限制在窄條區(qū)域上。全息圖再現時，再現光與原參考光一致，再現情況與二步法相似，同樣具備彩虹全息的

11、兩個基本要素。LRHOO¢SS¢ 圖9.5 一步彩虹全息圖的記錄一步法與二步法彩虹全息圖各有其特點。二步法記錄全息圖的觀察范圍比較大，采取合適的記錄光路可能有較大的能量利用率，它的不足之處是二步記錄制作過程比較煩瑣，而且由于兩步記錄，全息圖的噪聲較大，但如采用低噪聲的記錄材料，或用低噪聲的鹵化銀干板漂白配方，全息圖的噪聲可以很好地被抑制。一步法雖然噪聲小，制作步驟簡單，但能量利用率較低，觀察范圍受成像透鏡焦比限制，制作大體積物體需成本高昂的高質量大口徑透鏡，這一制作方法實用范圍有限。除一步法和二步法外，還有其他多種方法9-49-5，例如像散彩虹全息，綜合狹縫法，條形散斑屏法

12、，零光程法，一步掩膜法等。這些方法都具備彩虹全息的兩個基本要素，也各有優(yōu)缺點。實際工作中最常用的還是二步法。9.2.3彩虹全息圖的像質9-6彩虹全息的波像差和普通的透射菲涅耳全息一樣，有關菲涅耳全息圖的像差公式都可在計算彩虹全息圖時使用，但彩虹全息的像質與許多因素有關，波像差僅是影響像質的一個因素，其他因素的影響比它大得多。由于彩虹全息是由眼睛觀察的，彩虹全息的像質應把人眼作為光學系統(tǒng)的一部分，以下從五個方面討論彩虹全息圖的像質。（1）單色性彩虹全息的單色性描述人眼看到的全息像的色彩純度。如進入眼睛瞳孔的衍射光波長范圍在l至l+Dl內，則把Dl/l稱為全息像的單色性。圖9.6表示了狹縫與線全息

13、圖的關系，點O代表記錄的物點，DH為線全息圖的寬度，O點距全息圖平面距離為zO，狹縫距全息圖距離為zE，狹縫寬度為a，顯然， （9.1）用圖9.7分析彩虹全息的色散情況。 以xoy面為彩虹全息圖平面， x1oy1平面為眼睛的觀察平面，圖9.7所示為yoz平面。設眼睛的瞳孔直徑為D，其上下邊緣點為A和B。在白光再現下，像點色散成線段EF。EF并不與y軸平行，呈一角度a。這一角度可由成像關系式(5.21)計算。由于線全息圖的作用，色散線段未全部進入眼睛成像。顯然，眼睛瞳孔的下端B點與線全息圖上端的連線和色散線的交點E¢點是進入眼睛的色散線段的一個端點，A點與線全息圖下端的連線和色散線的交

14、點F¢點是另一個端點。E¢F¢內包含的譜線即為進入眼睛的衍射光波長范圍。下面用成像關系式(5.21)對單色性作定量分析。 圖9.8顯示的是彩虹全息像的色散線部分，色散線段E¢F¢對應的角色散DbI為 （9.2）線段E¢F¢ cosa由兩部分組成，由圖9.7的相似三角形關系 （9.3）yy1zABDEE¢F¢FDHazOZEOzEzODHa圖9.6線全息圖的寬度與狹縫寬度的關系 圖9.7彩虹全息色散分析biDbiEFE¢F¢ax圖9.8彩虹全息像的色散線再將式（5.21b）改寫為入射角的

15、形式 （9.4）式中 為物光、參考光、再現參考光、再現物光在yoz平面內的入射角。再現光有一定波長范圍，由于波長不同而引起的再現物光角色散可對式（9.4）微分得到 (9.5)由于一般記錄彩虹全息時物光和再現物光常取正入射，故bO=bI=0。以式（9.2）和式（9.3）代入式（9.4），并利用式（9.1），得到 （9.6）式中取l=l0。從式（9.6）看出，若要獲得較好的單色性，就要求狹縫窄，觀察距離遠，參考光入射角度大。（2）色模糊由于再現光存在帶寬，再現像點會被擴展而變的模糊，這一現像稱為色模糊或色差。由圖9.7，彩虹全息像的色模糊量即為圖中的線段，如果把這一色差分為縱向色差和橫向色差，如圖

16、9.8所示，橫向色差即為cosa，記為DIl，并設bI=0，則由式（9.3），并利用式（9.1）， （9.7）上式中zE為人眼觀察全息圖的距離，一般為明視距離，不能改變。以下討論其他幾個量對色模糊的影響。首先，狹縫寬度a與色模糊有關，這一寬度越小，色模糊越小。但這一寬度不能太小，因太窄的狹縫會導致激光散斑增大，反而影響圖像的分辨率。一般狹縫取3mm至1cm。其次，像的色模糊與像點離全息圖的距離有關，zO等于零時，色模糊為零，這時即為像面全息。當式（9.7）中其他量均一定時，從式（9.7）可以估算全息圖的景深。在人眼的分辨限度內（即角分辨率為1¢），|DIl|»0.1mm，如

17、取D=a=3mm，zE=300mm，則|zO|=5mm。如放寬模糊要求，可允許|DIl|=1mm，這時|zO|=50mm。如記錄時使全息干板位于三維圖像中間，則前后景深可達100mm。最后，雖然式（9.7）中的D表示人眼的瞳孔，是一個常量，但如用照相機或攝像機拍攝全息圖，拍攝設備的孔徑選擇應越小越好。相機拍攝的彩虹全息照片質量常不如人眼直接觀察，其原因往往就在沒有選擇合適的孔徑。（3）線模糊由于再現光源不是點光源而引起全息像的模糊稱為線模糊，用基元全息圖的成像關系可以計算出這一模糊量與光源擴展的關系。在成像關系式(5.21)中認為像點坐標xI是再現光點坐標xC的函數，由于xC的改變而引起xI的

18、改變?yōu)?（9.8）式中DIC為由于擴展光源DC而引起的像點模糊。仍然以人眼的分辨極限為線模糊極限，取DIC=0.1mm，如果lC=500mm，zO=5mm，則允許光源擴展DC=10mm。所以在燈絲比較集中的白熾燈照明下，能觀察到較清晰的全息像。在較寬的面光源照明下，如沒有陽光直接照射的數平方米的窗口，全息像會顯得非常模糊。全息圖需要方向性較強的光源照明再現，這是制約顯示全息圖應用的重要因素。（4）衍射受限彩虹全息圖孔徑可以看成是光學系統(tǒng)的光欄，它的尺寸應按線全息圖考慮，所以在狹縫方向和垂直狹縫方向的分辨率不一樣。在記錄和再現彩虹全息時，線全息圖都影響像的分辨率。在垂直狹縫方向，被記錄物點的分辨

19、極限為 （9.9）再現時有類似的表達式?？梢?，在其他條件不變的條件下，狹縫不能太窄。（5）全息像差在再現波長與記錄波長不同時，衍射波有較大的像差。彩虹全息應具有普通全息的一般特性，它的像差也與普通全息圖相同，只是全息圖的孔徑按線全息圖計算。如按線全息圖的長度方向計算全息像差，這像差將是一個很大的量。如用457.9nm的激光記錄彩虹全息，當看到紅色衍射像時（如衍射波長為630nm），在典型記錄條件下，像差將達到厘米量級。但是觀看彩虹全息圖時，像差并沒有如此顯著。實際上由于人眼瞳孔的限制，只有線全息圖的一部分參與了成像，如圖9.9的AB部分（圖中平面與圖9.7不同，是xoz平面）。顯然計算像差時的

20、孔徑x圖9.9眼瞳對像差的限制作用ABOD （9.10）由（9.10）式確定的孔徑計算像差，全息像差是一個很小的量。雖然人眼觀察彩虹全息并不因為全息像差而模糊，但實際上彩虹全息中的全息像差以另一種方式體現。首先，眼睛在觀察時會發(fā)現像平面是彎曲的，這在母全息圖和彩虹全息圖的記錄波長不同時特別明顯，因這時彩虹全息中已記錄進母全息圖的全息像差，第二次再現時將像差進一步放大。其次，人眼沿狹縫方向移動時，圖9.9中沿x方向移動，會發(fā)現全息像漂移，這是因為全息圖上不同位置對同一像點的成像位置不同。這也就是全息像差的基本含義，按全息圖孔徑計算出的像差點的大小就是眼睛移動觀察時像點漂移的距離。9.3合成全息技

21、術用全息技術還可以實現體視三維顯示，這一技術稱為合成全息，或準三維顯示9-7。它的基本方法是將一系列從不同角度拍攝的普通二維相片通過全息記錄的方法記錄在一張全息軟片或干板上，當用白光再現全息圖時，人的雙眼觀察到的是不同角度二維相片，以人眼的雙眼視差實現三維顯示。9.3.1二維圖片的記錄用作記錄合成全息的二維圖片的制作方法如圖9.10和圖9.11所示。圖9.10是用相機拍攝三維物體不同角度的二維照片，圖（a）是平排相機，圖（b）是相機排成圓弧狀，或讓物體轉動時用電影攝影機拍攝。圖9.11是用小透鏡陣列拍攝物體不同角度的像，這一列陣可以是一維的，也可以是二維的。一維列陣與圖9.10（a）的作用一樣

22、，二維列陣可以獲得更多的信息量，用于記錄反射全息。獲得二維圖片的方法不僅有照相的方法，也可以由計算機產生。先用計算機設計三維模型，再由計算機輸出它們不同角度下的二維圖片，這一方法甚至可以產生現實生活中不存在的物體。OO （a） （b） 圖9.10用相機拍攝三維物體不同角度的二維照片（a）平排相機（b）相機排成圓弧狀O透鏡陣列攝影底板 圖9.11用小透鏡陣列拍攝物體不同角度的像 9.3.2平面多路合成全息9-8記錄平面多路合成全息的光路如圖9.12所示。二維照片采用圖9.10(a)的方法拍攝。透鏡L1是照明系統(tǒng)，將激光照射在二維照片O1上，透鏡L2是成像透鏡，將二維圖片成像于毛玻璃散射屏D，透過

23、光即成為全息記錄的物光。H是全息干板，干板前放置一狹縫S，狹縫可以移動，狹縫無論放在什么位置，都能記錄到物光。每換一張照片，狹縫換一個位置，記錄一個單元全息圖。再現時用參考光照明，人眼透過全息圖觀察，就能見到三維圖像，如人眼在全息圖上掃描，就能見到物體不同側面的三維像。將這張全息圖作為母全息圖，可記錄白光再現的彩虹全息圖或反射全息圖。SHxzyRL1L2DO1圖9.12平面多路合成全息的記錄光路圖9.13是用圖9.11拍攝二維照片制作合成全息的示意圖。漫射的激光從攝影照片的右方照射透明片。每一圖像對應的小透鏡將圖像投影成像于原三維物體的空間，形成完整的三維像。如在三維像的位置作全息記錄，將能得

24、到準三維的全息圖像。全息記錄可以用彩虹全息方法記錄，也可以用反射方法記錄，不過要注意三維像的正或反體視，詳細見參考文獻 圖9.12O¢透鏡陣列透視圖圖9.13 平面多路合成全息圖的記錄9-8。漫射屏激光9.3.3 360°合成全息角度多路全息合成系統(tǒng)的光路如圖9.14所示，L1是照明系統(tǒng)， L2是投影成像透鏡。L1將平行光會聚于L2處。L3是作為場鏡用的球面透鏡，CL是柱面透鏡，它們組合形成一個像散成像系統(tǒng)。此系統(tǒng)對L2處的發(fā)散光成子午和弧矢兩個像。O1是二維照片，它用圖9.10（b）的方法得到，它被L2成像于場鏡L3處。全息軟片位于xy平面，前面放置一狹縫S，全息軟片與二

25、維照片同步卷動，每一張二維照片在狹縫后形成窄條基元全息圖。圖9.14的記錄系統(tǒng)實際上是彩虹全息記錄系統(tǒng)。像散成像系統(tǒng)的子午像和弧矢像分別位于全息軟片附近和軟片后一定距離E處。這像散像包含了二維照片信息，子午像將圖片信息壓縮在狹縫S內，弧矢像的作用相當于彩虹全息的狹縫，它與參考光位于的yz平面垂直。圖9.14（b）和（c）分別表示xz平面和yz平面內的光路。L1O1L2CLL3RSHEzyx (a)L1O1L2CLL3HRxzEL1O1L2CLL3HyzER (b) (c)圖9.14角度多路全息合成系統(tǒng)光路 （a）整體圖 (b) XZ平面圖 (c) YZ 平面圖360°合成全息的再現光

26、路如圖9.15（a）所示，將顯影處理后的全息軟片彎成圓筒狀，其半徑等于像散系統(tǒng)與全息軟片的距離，白光點光源位于圓筒的軸上，距圓筒的距離與原參考光發(fā)散點距軟片的距離相等。圖9.16（b）說明了人眼為什么能產生立體感，因為進入觀察者左、右眼的兩個像來自帶有水平是視差的不同的窄條單元。顯然人眼與全息圖過遠或過近，都會影響體視效果。將圓筒裝在一個電動機上，使全息圖發(fā)生旋轉，人眼就能通過不同的全息單元觀察到三維物體的不同側面，如果拍攝的是活動圖像，由于人眼的視覺暫留，人眼觀察到的將是三維活動圖像。右眼左眼 （a） （b） 圖9.15 360°合成全息的再現 （a） 再現光路（b）立體顯示原理9

27、.4彩色全息術一般情況下，用單波長激光記錄的全息圖是單色的。彩色全息術的目的則是記錄和再現彩色三維全息圖像。與普通彩色印刷技術一樣，彩色全息術涉及兩個基本問題：三原色信息的獲取和三原色信息的再現。三原色的獲取目前有兩種方法，一種是用含有三原色的單臺激光器或多臺單色復合激光器作為光源，照明彩色物體獲取三原色信息；另一種方法是對彩色二維圖片進行類似于彩色印刷的分色處理，以黑白的三原色圖片作為全息記錄的物。在獲得三原色信息后，并不是對三原色信息進行普通的全息記錄就能得到彩色全息圖。例如用含有三原色的激光替代單色激光作普通全息記錄，我們在同一張全息干板上得到的是三幅全息圖，它們分別由紅、綠、藍激光相干

28、而成，當用三色激光再現時，每一波長的激光將再現三幅不同大小和位置略有不同的全息圖，三個波長的激光將再現九幅全息圖，它們重迭在一起，圖像顯得模糊不清，這一現象稱為色串擾。所以，解決色串擾是彩色全息的重要研究課題，激光再現彩色全息常用編碼技術或多方向參考光解決色串擾，而白光彩色全息常采用彩虹全息或反射全息方法解決色串擾。本章主要介紹白光再現彩色全息的制作和再現。9.4.1彩色全息的激光器和記錄材料圖9.16色度圖0.90.80.70.60.50.40.30.20.100.10.20.30.40.50.60.70.8xy5205255305355405455505555605655705755805

29、85590595600610605615620650700630515510505500495490485480475470450400人眼的顏色感覺既包含生理過程，又包含心理過程，很難用普通的方法對顏色下定義，或給出定量描述。通常人們用三原色的刺激值來描述顏色，每一種顏色都用三刺激值表示，這三刺激值又稱色度坐標（x，y，z），它們滿足下列關系 如果兩個坐標已知，由上式可確定第三個坐標，因此每一種顏色都可用平面上的一點（x，y）來表示。國際照明委員會的色品圖如圖9.16所示，圖中畫出的平面面積包含了所有可能的顏色，表示單色光（光譜色）的點都按波長畫在色品圖中馬蹄形的外邊緣上。如用三個光譜色按它

30、們的比例變化來混合成彩色，按色品圖的使用規(guī)則，只有色度坐標在這三個光譜色的坐標圍成的三角形內顏色可以由這三光譜色混合得到，顯然，這個三角形面積越大，可能匹配出的顏色就越多。三色激光波長的選擇也應按照這一原則進行。表9.1列出了現有的能用于全息記錄的激光波長，從表中看出，選用氬離子激光器的457.9nm和514.5nm以及氦氖激光器的632.8nm是一組選擇，氪離子激光器的647.1nm和520.8nm以及氦鎘激光器的441.6nm也是一種選擇，這兩種選擇既能在色品圖上獲得較大的三角形面積，又僅使用兩種激光器，是一種經濟的選擇。 表9.1波長（nm）近似的顏色激光介質輸出功率（mw）413.1藍

31、紫氪1000441.6藍紫氦-鎘200457.9 藍紫氬700476.2藍氪400476.5藍氬1200488.0藍綠氬3500496.5藍綠氬3500501.7綠氬700514.5綠氬4000520.8綠氪700568.2黃綠氪1100632.8紅氦氖100647.1紅氪3500為記錄彩色全息圖，必須要選擇合適的全息記錄材料。鹵化銀記錄介質是常用的全息記錄介質。在彩色全息中或直接用全色干板，如柯達649F、Agfa8E56等，或用紅敏和藍敏的鹵化銀分別對紅光和藍綠光感光，然后再將這兩種材料復合。折射率調制位相型的記錄材料是另一種比較理想的材料?，F已有紅敏的重鉻酸明膠，全色的光致聚合物，特別是

32、杜邦公司的光致聚合物已進入商品化階段。在彩色全息的記錄方法的研究中有一點應值得注意，在目前的最大的顯示全息市場模壓全息中，作為母板的感光材料是僅感藍綠光的光致抗蝕劑材料，為了實現彩色模壓全息，必須在制作方法上解決非全色記錄材料的彩色記錄問題。9.4.2彩色彩虹全息用彩虹全息實現彩色全息可以這樣考慮，在一張全息記錄材料上記錄三張彩虹全息圖，它們分別是三基色全息圖像，三基色中的每一基色對應的狹縫在空間重合，人眼在它們的狹縫重合處將能同時觀察到三基色的全息圖像，三基色的全息圖像的復合就形成了彩色全息。三基色全息圖像可以由三基色激光得到，也可以用電子分色設備得到。HMH1H2H3O1¢,O2

33、¢,O3¢HRH1H2H3RO1O2O3HM用彩虹全息方法記錄二維彩色照片的方法如圖9.17所示9-9。母全息圖HM的記錄光路如圖9.17（a）所示，參照圖9.1a，圖中僅保留了彩虹全息的母全息記錄干板H前的物光（a）                              &

34、#160;                                                 &

35、#160;                                   （b） 圖9.17用彩虹全息方法記錄二維彩色照片(a)母全息圖記錄光路 (b) 彩虹全息記錄光路和參考光部分，其中O1、O2、O3分別固定在毛玻璃上，它們分別是二維彩色照片的三原色

36、分色反轉片。按對應的顏色設計，分別置入O1、O2 和O3，對全息干板的不同部分分別曝光。曝光部分的位置就是虹全息的狹縫位置，它們的確定方法作為習題（習題4）留給讀者。經處理后得到三個狹窄子全息圖H1、H2和H3，將它們作為母全息圖記錄彩虹全息，光路如圖9.17（b）。與圖9.17（a）相似，圖中僅保留了彩虹全息記錄干板H前的物光和參考光部分。由于母全息圖H1、H2和H3非常狹窄，每一全息圖本身就相當于圖9.4（a）中的狹縫，因此在全息圖H上相當于記錄了三張彩虹全息圖。當用如圖4光路的白光再現時，O1、O2 和O3所對應的紅、綠、藍三狹縫重合，人眼在狹縫重合位置觀察時將能看到平面彩色圖像。把這一

37、方法用于合成全息，對合成全息的每一幅二維圖片進行電子分色，每一組分色片記錄在同一窄條全息圖上，再對這三條全息圖進行類似于圖9.17（b）的第二步記錄，最后得到的是彩色合成全息。二維彩色照片的彩虹全息記錄方法因能用單一波長制作而顯得非常實用。真彩色模壓全息和合成真彩色模壓全息的光致抗蝕劑母板常采用這種方法制作。這一方法的制作難點是工藝過程復雜，透明片的信噪比較難控制，一般實驗室很難制得高質量的全息圖。更簡便的二維彩色彩虹全息的制作方法見參考文獻9-10。模壓全息常作為商品的防偽手段，而真彩色制作技術，特別是合成真彩色全息技術被認為是防偽性能最高的技術之一。用彩虹全息方法制作三維彩色全息同樣有二步

38、法和一步法9-11。二步法記錄彩色彩虹全息的光路如圖9.18。圖a是記錄物體的三激光三基色母全息圖H1i的光路，i=1、2、3表示紅、綠、藍三基色，參考光用平行光。記錄時分別用氦氖激光和氬離子激光的兩條譜線記錄紅、綠、藍三基色的三張母全息圖。圖b是第二步記錄光路，以與圖a參考光相同的入射角度共軛光再現母全息圖，再現時注意三張母全息圖的復位，用三種激光順序將三個再現像記錄在同一張全息干板H上。當用一發(fā)散白光按共軛方向照明H時，在適當的位置可觀察到物體的彩色像。R1yH1OyH1HO¢ （a） （b）圖9.18二步法記錄彩色彩虹全息的光路(a) 記錄物體的激光三原色母全息圖光路（b）第二

39、步記錄光路一步法的彩色彩虹全息記錄光路與普通一步法彩虹全息非常相似，只是將普通彩虹全息的記錄激光光源換成三基色激光，曝光時如記錄材料的靈敏度與三色激光的光強相匹配，可一次曝光完成，不然的話，通過調整曝光時間，分別三次記錄。要使彩色彩虹三維全息達到實用的地步，用單色激光記錄彩色彩虹全息是非常重要的，其原因還是為了制作模壓全息母板。已有人提出了解決這一問題的方法。但該方法的第一步母全息的記錄基于透鏡成像之上，視場小的問題較難解決，實用性受到很大限制。此外，二步法與一步法相比，二步法除了步驟多以外，三張全息圖的對準復位必須仔細精確，實驗難度較大，而一步法的缺點仍然是視場太小。總之，目前的三維真彩色彩

40、虹全息技術離實際應用還有一段距離。9.4.3反射體積彩色全息OH含有三基色的擴束激光圖9.19記錄反射全息圖的典型光路圖9.19是記錄反射全息的典型光路。經擴束后的激光直接照射全息記錄干板H，作為全息記錄的參考光。此光束透過H后照明物體O，物體的漫反射光即是反射全息記錄的物光。與激光再現全息圖不同的是參考光與物光分別從記錄材料的正反兩面入射。記錄介質膠層較厚，能將干涉條紋記錄于膠層體積內，并且條紋面與記錄介質表面的夾角小于45°。反射全息的再現有很大的特殊性。衍射光與入射光在全息圖的同一側。當用白光再現反射全息時，全息圖并不是對所有的波長都進行衍射，而是只對其中的某一種波長有較強的衍

41、射，對其他波長的衍射較低。也就是說當用白光再現反射全息時，再現的圖像是單色的。如果圖9.19的擴散激光不是單色的，而是包含的三基色激光，那么在同一張全息干板中將記錄三張全息圖，它們分別由三個波長干涉而成。如果對全息干板化學處理后感光膠層的厚度不變，當用白光再現此全息圖時，由于反射全息具有波長選擇性，紅色激光記錄的全息圖僅被白光中的紅光再現，綠色和藍色激光記錄的全息圖分別被白光中的綠色和藍色成分再現，其結果是三原色的全息圖像被同時再現，人們觀察到的是真彩色的全息圖像。用反射全息方法實現彩色全息記錄和再現的原理雖然簡單，但實驗制作還是有不少困難。首先，三基色激光的功率與記錄介質的三基色靈敏度匹配問

42、題，三基色激光的每一基色功率不是能任意選擇的，為與記錄介質的靈敏度匹配，必須對三基色激光分別加進濾光片進行功率調節(jié)，或分別三次曝光。其次，記錄介質經曝光化學處理后，一般會發(fā)生收縮或膨脹，使再現波長漂移，造成彩色失真。因此記錄介質的防收縮工藝顯得非常重要。第三，彩色全息能否被社會接受，最終取決于彩色全息圖的質量。高衍射效率高信噪比的全色記錄材料對全息圖質量起著至關重要的作用。鹵化銀材料、重鉻酸明膠、光致聚合物等都是可選擇的材料，其中全色的光致聚合物最具有發(fā)展?jié)摿Α?.5全息圖的復制全息圖的制作需要激光器以及許多特殊的設備，每一張全息圖都從頭至尾用激光器制作是不經濟的，全息圖的廉價復制也是全息顯示

43、技術的重要方面。9.5.1全息圖的光學復制O¢HM擴束激光H圖9.20反射全息的復制光路全息圖的光學復制一般仍采用干涉的方法，用激光照明原始全息圖，以再現的像光束作為物光，直射光作為參考光，記錄全息圖。這樣在獲得一張優(yōu)質的母全息圖后，就可以用一束光照明進行復制，反射全息和透射全息都可以用這一方法進行復制。圖9.20顯示的是反射全息的復制光路，其中HM是母全息圖，H是復制全息干板。母全息圖由圖9.19的方法制作。再現時將母全息圖翻轉180°，以母全息圖的原背光面變成迎光面，全息圖像被H的透過光再現，得到凹凸與原物相反的共軛像。入射激光直接入射至H的光作為參考光，HM的再現像與

44、參考光干涉形成反射全息。依據這一原理的全息攝影復制機已被研制出，它能快速廉價地復制全息圖。市場上見到的“激光寶石”就是采用了這種方法復制。這種復制方法同樣可以復制彩色反射全息圖。9.5.2全息圖的模壓復制模壓全息技術起始于七十年代，八十年代初期在美國、日本、英國等國獲得迅速發(fā)展。國內的模壓全息技術開始于八五年，以后在九十年代初模壓全息發(fā)展迅猛，模壓全息生產廠家數量居世界首位。模壓全息類似于凹凸印刷技術，復制成本相當低廉，是目前為數不多的商品化全息技術之一。模壓全息的基本過程分三個階段，彩虹全息光致抗蝕劑母板制作、電鑄金屬母板、模壓復制。制作模壓全息的第一個過程是制作表面浮雕型全息圖。模壓全息是

45、在白光再現下觀察的全息圖，母板是彩虹全息，記錄材料通常是光致抗蝕劑，或稱為光刻膠。彩虹全息的制作方法在前面已作了詳細介紹，在模壓全息制板中絕大部分采用二步法多色彩虹全息9-11，也就是眼睛在一固定位置觀察全息圖能在全息圖的不同區(qū)域見到不同顏色。多色彩虹全息的制作方法與二維彩色彩虹全息的制作方法相似，只是二維圖片不是采用彩色分色片，而是設計好的二維黑白透明片。一個多色彩虹全息的黑白分色稿如圖9.21所示，圖a、圖b、圖c分別代表三種顏色，相當于圖9.17的O1、O2、O3，其中的O3的放置平面可以與另兩幅不同，經第二步記錄后，將在一合適位置同時見到三幅圖像，O1、O2、O3分別是紅、綠、藍色，而

46、且由于O3位置的不同層面使圖像具有層次感。實際上多色彩虹的物體也可以是三維物體，或同時存在三維物體和二維圖片，制作方法大同小異，母全息圖的狹縫數量可以超過三個，多色全息圖的色彩和層次也可以有多個。 （a） （b） （c）圖9.21多色彩虹全息的黑白分色稿 (a) (b) (c) 分別代表三種顏色制作彩虹全息母板除了上述基本方法外，還有一些更加簡便有效的方法，如：掩膜法制高信噪比的二維彩虹全息；利用HOE進行單光束接觸曝光記錄二維彩虹全息；通過改進第二步記錄時的再現光路來提高能量利用率等等。此外，光刻膠母板還可以用其他全息技術得到，如按光柵柵線方向編碼的全息光柵、全息透鏡或像素全息等等。電鑄的目

47、的是把光刻膠表面上的浮雕形條紋轉移到金屬板上，它也分三個過程。第一個過程是對光刻膠表面金屬化，通常有兩種方法，真空鍍膜和化學沉積?，F大部分采用化學沉積方法?；瘜W沉積的過程是：先對光刻膠板表面進行清潔敏化處理，使光刻膠表面離子化，形成均勻分布的離子顆粒（即反應中心），再使用硝酸銀溶液在光刻膠表面發(fā)生銀鏡反應，在光刻膠表面形成一薄層銀導電層，完成金屬沉積過程。第二個過程是電鑄，用化學電鍍的方法使金屬層加厚。將表面已金屬化的光刻膠板放入電鑄槽中作為陰極，電鑄槽中的電解液為氨基磺酸鎳，以較易溶解的含硫鎳作為陽極。經十小時左右的時間電鑄后，金屬沉積厚度約0.1mm。在金屬層與光致抗蝕劑剝離后，金屬表面上

48、就具有了浮雕型條紋，也就形成了金屬頭版。第三個過程是翻鑄工作板。先將頭板在鈍化液中作鈍化處理，使表面生成一層金屬氧化物，便于在翻鑄時剝離。然后在頭板上用電鍍的方法沉積鎳，制成第二道板。再經同樣的過程進行幾道電鑄后，即得到直接用于模壓的工作鎳板。模壓復制是將金屬板上的條紋壓印到熱塑性薄膜材料上，形成模壓全息圖。這一階段是在特制的模壓機上完成的。將工作鎳板包在模壓機加熱滾筒上，通過滾壓的方式將金屬板上的條紋壓在薄膜上。薄膜可以是聚乙烯膜、聚酯膜或燙金膜，膜層可以是鍍鋁的或透明的。模壓全息的復制效率比較高，每分鐘壓制1520米左右，寬度隨機器的不同而不同，一般從十六厘米到一點二米。需要指出的是，模壓

49、全息圖雖然以反射方式觀察，但它屬于透射全息。因它是表面浮雕型條紋，靠鋁的反射產生觀察效果。而反射全息是依靠體積條紋反射衍射再現光，衍射光通常是單色光，并且此類條紋不能采取模壓的方式復制。模壓全息的制作過程復雜，特別是全息制版有較高技術含量，而且技術還在不斷創(chuàng)新，所以目前許多商品利用模壓全息作為防偽標志。9.5.3全息圖的注塑復制ROHxCC¢II¢Hx全息圖的注塑是指通過注塑工藝將全息圖表面的浮雕型條紋復制在塑料表面，涉及的工藝技術包括非平面全息母版的設計與制作、全息鑲件及模具的設計與制造和全息注塑成型工藝技術。 （a） （b） 圖9.22 以一會聚點O為物的全息圖的記錄與

50、再現 (a) 記錄 (b) 再現模壓全息的制板是在平面上完成的，而注塑塑料件表面的形狀不是單一的平面，所以注塑全息首先需要解決的是非平面的全息制板。我們以球基面為例討論全息母板的記錄方法。注塑復制全息與模壓全息一樣，均是以反射方式觀察的透射全息圖。而在全息記錄設計時，兩者有所不同。為理解這一差別，我們先考慮反射衍射像的形成。圖9.22是以一會聚點O為物的全息圖的記錄與再現，如果全息圖以光刻膠作為記錄材料，那么透射光的位相由于受浮雕條紋的調制發(fā)生衍射。同時入射光也會被浮雕條紋反射，反射光位相同樣也被調制，這一被調制的反射光就形成反射衍射像。若透射像和反射像分別為I和I¢，I¢

51、的位置可有兩種觀點計算：一種觀點是認為I¢的位置與用共軛光再現的共軛像的位置相同，成像位置計算可由透射成像關系中取共軛項得到；第二種觀點認為是它與以圖b 中的C¢為再現光的原始像位置相同?？梢宰C明，如果圖b中的C¢與原參考光呈鏡面對稱，C¢的再現也是一種原始再現。如果我們從反射像角度理解，以上兩種觀點等價為反射像可以看作是透射像經記錄材料表面反射后的反射像，或看成是以再現光的鏡面像為再現光的再現像。顯然，這兩種看法對平基面的記錄材料是等價的，但如果基面是球基面，這兩種看法的結果是不同的，那么在球基面條件下我們究竟取哪一種觀點呢？R(xr, yr, zr)

52、Q(x, y, z)rlrzxy圖9.23分析記錄光波和再現光波的位相函數圖仍以與第5章相似的方法研究球基面反射衍射像的物像關系。采用圖9.23表示的光路分析記錄光波和再現光波的位相函數，某一球面波在球基面上的位相分布函數可以寫成 （9.11）式中j分別代表O、R、C、I，為物光、參考光、再現光和成像點，令 式（9.11）重新寫成 （9.12）其中x、y和z滿足球面方程 （9.13）式中r為球面半徑。如j為O（物光）、R（參考光）、C（再現參考光）時，r取正值；如j取I（再現物光）時，由于我們考慮的是反射成像，r取負值。考慮到lj、r>>x、y、z和xj、yj、zj，對式（9.12

53、）的含有1/2次冪的項展開，并利用式（9.12）的z的展開式，忽略1/l03及其以上項，得到 （9.14）在上式推導過程中，據符號法則，在忽略1/lj3及其以上項條件下，利用了lj=-zj。與式（5.14）相比，式（9.14）僅多一由于球基面帶來的因子p(x2+y2) ¤ 2r，其中j為I時p=1，其余p=-1。我們知道全息圖再現時有位相關系 （9.15）利用式（9.14），我們得到 （9.16） （9.17）式（9.16）和式（9.17）中的kC和kO分別為再現光和記錄光的空間角頻率。對式（9.16）和式（9.17）按x、y的冪次進行系數比較，得到 （9.18） （9.19） （9.20）將式（9.18）至式（9.20）與第5章的式（5.21）比較，球基面反射像的位置不再與透射像呈鏡面對稱。它的等價再現光位置相當于lC¢ （9.21）式（9.21）表明等